Способ закрепления предохранительной мембраны

 

Использование: в арматуростроении. Сущность изобретения: мембрану размещают в корпусе устройства и осуществляют ее соединение со стенкой корпуса. Мембрану изготавливают из гидридообразующего материала. Соединение мембраны со стенкой корпуса осуществляют путем ее гидрирования в среде газообразного водорода.

Изобретение относится к мембранным предохранительным устройствам и может быть использовано в арматуростроении, вакуумных аппаратах, пневмогидросистемах, химических источниках тока, системах защиты технологического оборудования от опасных перегрузок давлением и других областях техники.

Известен способ закрепления тонкостенных заглушек в полых валах, при котором в отверстии вала выполняют кольцевую выточку и осуществляют ее закрепление в выточке путем развальцовки или расплющивания [1] Недостатками данного способа являются необходимость выполнения кольцевой выточки, ослабляющей стенку полого вала, а также сложность обеспечения герметичного закрепления краев заглушки в выточке, особенно при термоциклических и силовых нагрузках, способных вызвать релаксацию напряжений в местах вальцовки или расплющивания.

Известен способ закрепления предохранительной стальной мембраны, при котором ее устанавливают в цилиндрическом корпусе и приваривают кромку мембраны к стенке корпуса дискретно на отдельных участках, а оставшиеся промежутки между этими участками заполняют герметизирующим слоем, например силиконовой резины [2] Недостатком такого способа является сложность осуществления процесса сварки с обеспечением сохранения требуемой точности посадки мембраны в корпусе и ее формы при термодеформациях, возникающих в процессе выполнения дискретных сварных швов. Кроме того, сложно обеспечить надежную герметизацию промежутков между сварными участками с помощью специального герметика типа силиконовой резины, так как потребуется тщательная зачистка этих участков после формирования сварных швов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, при котором мембрану размещают в корпусе предохранительного устройства и осуществляют ее сварку по посадочной кольцевой проточке, выполняемой во внутренней стенке фланца [3] Недостатком этого способа является сложность его осуществления из-за необходимости проведения сварки в специально выполняемой посадочной кольцевой проточке фланца. При этом снижается надежность места закрепления тонкостенной мембраны из-за охрупчивания сварного шва, а также возможности термических деформаций мембраны и ее разрушения.

Задачей изобретения является упрощение способа и повышение надежности закрепления предохранительной мембраны.

Для этого в способе закрепления предохранительной мембраны, при котором мембрану размещают в корпусе устройства с заранее рассчитанным зазором, мембрану изготавливают из гидридообразующего материала, а соединение мембраны со стенками корпуса осуществляют путем ее гидрирования в среде газообразного водорода.

К гидридообразующим материалам относятся металлы переходной группы и сплавы на их основе: титан, цирконий, ниобий, иттрий, ванадий, лантан-никель, титан-железо и т.д. которые, поглощая при повышенной температуре водород, превращаются в соответствующие гидриды, что сопровождается увеличением объема материала на 15-20% в сравнении с исходным.

Увеличение объема обеспечивает прочное и герметичное закрепление мембраны в корпусе. Процесс закрепления мембраны в зависимости от выбранного материала и условий эксплуатации предохранительного устройства может быть осуществлен в широком диапазоне температур (от комнатных для легированных лантан-никелевых сплавов, до 800-900^оС для иттрия и его сплавов) при давлении водорода до нескольких атмосфер.

Уменьшение толщины и габаритов мембраны, повышение давления и температуры водорода в заданных диапазонах ускоряют процессы гидрирования и закрепления мембраны, вплоть до диффузионного соединения ее со стенкой корпуса. Увеличение толщины и габаритов мембраны требуют более медленного проведения процесса гидрирования, чтобы предотвратить растрескивание материала мембраны.

На практике время гидрирования и закрепления разных по материалам и размерам мембран может составлять от нескольких минут до 1-2 ч.

При необходимости разборки мембранного устройства его или только мембрану нагревают до температуры диссоциации водорода из мембраны. В результате она объемно сжимается и может быть свободно извлечена из корпуса. Температура диссоциации обычно на 100-200^оС выше, чем температура гидрирования, что обеспечивает надежную эксплуатацию предохранительного устройства при повышенных температурах.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает широкие возможности для выбора конструкционных материалов и режимов, позволяющих изготавливать мембранные устройства для различных условий эксплуатации.

П р и м е р 1. Закрепляют предохранительную мембрану в цилиндрическом корпусе устройства, предназначенного для защиты высокотемпературных технологических аппаратов и оборудования от перегрузок давлением. Корпус выполняют из нержавеющей стали марки 30ХГСА, с внутренним диаметром 80 мм, толщиной стенки 3 мм, длиной 40 мм. Мембрану толщиной 2 мм и диаметром 79,5 мм изготавливают из циркония, устанавливают в корпусе и осуществляют процесс гидрирования, помещая сборку в среду водорода. Гидрирование ведут при 600^оС, давлении водорода 0,4 МПа в течение 30 мин. Операцию гидрирования проводят в стандартной водородной печи одновременно для группы названных сборок. Проверяют герметичность закрепления мембраны путем вакуумирования одной из полостей корпуса до 10^-4 мм рт.ст. герметичность сохраняется. Устройство может эксплуатироваться при температурах до 700^оС, а также и при криогенных температурах. Для обеспечения заданного разрывного усилия, в мембране предварительно выполняют радиальные канавки.

П р и м е р 2. Закрепляют предохранительную мембрану в цилиндрическом корпусе химического источника тока с целью разделения вакуумированной и жидкостной электролитной полостей корпуса друг от друга. Мембрану изготавливают из титанового сплава марки ВТ-1, толщиной 1,25 мм, диаметром 44,6 мм и устанавливают внутри тонкостенного (0,75 мм) корпуса химического источника тока с внутренним диаметром 45 мм, выполненного из стали марки 12Х18Н10Т. При гидрировании мембраны в сборе с корпусом температура составляет 400^оС, давление водорода 0,3 МПа, время выдержки 25-30 мин. Способ обеспечивает надежное закрепление мембраны по гладким стенкам корпуса без каких-либо промежуточных слоев, которые могут вступать в химическую реакцию с электролитом. В результате выполняются требования по обеспечению длительного хранения химического источника тока в диапазоне температур от -45 до +60^оС. При импульсном включении источника тока, используемого в качестве стартовой батареи, происходит срезание мембраны за счет взрыва пиропатрона, установленного со стороны электролитной полости корпуса. Поскольку мембрана не содержит никаких дополнительных крепежных деталей, это позволяет упростить конструкцию химического источника тока в целом и облегчить его вес, что весьма важно для компактных батарей, собираемых из нескольких сотен таких отдельных электрохимических элементов.

П р и м е р 3. Закрепляют разрывную мембрану во втулке с внутренним диаметром 20 мм, толщиной стенки 2 мм, длиной 15 мм, выполненной из бронзы. Мембрану изготавливают из сплава титан-железо толщиной 1,5 мм и диаметром 19,6 мм. На торец мембраны магнетронным напылением наносят слой меди толщиной 0,1 мм. Температура гидрирования составляет 220^оС, давление водорода 0,2 МПа, время процесса 10 мин. Радиальное увеличение мембраны при гидрировании обеспечивает создание высокого удельного давления (более 50 МПа) в медном слое и его диффузию как в материал мембраны, так и в материал корпуса. Полученное соединение обладает высокой вакуумной плотностью (10^-5 мм рт.ст.). Втулку с закрепленной мембраной устанавливают в спорном гнезде предохранительного клапана и уплотняют ее по торцам с помощью фторопластовых прокладок. При срабатывании клапана мембраны разрушается с помощью специального штока игольчатой формы. Простая конструкция мембранного узла позволяет многократно заменять его после каждого разрушения мембраны при срабатывании клапана, который используется для защиты пневмосистем от разрушения при превышении в них давления.

В предлагаемом способе мембрана как до ее закрепления гидрированием, так и после гидрирования может быть защищена от химического воздействия рабочей среды с помощью покрытий, наносимых химическими методами, напылением и т.п. методами, не приводящими к существенным изменениям материaл мембраны.

Использование предлагаемого способа в сравнении с прототипом обеспечивает следующие преимущества: упрощение технологического процесса закрепления мембраны и повышение надежности ее крепления без каких-либо вспомогательных узлов и деталей; повышение компактности и миниатюрности предохранительных устройств, обеспечение удобства их размещения, монтажа и замены в пневмогидравлических и вакуумных системах.

Способ осуществляется на стандартном оборудовании с использованием печей или камер, широко применяемых в диффузионной сварке и пайке, порошковой металлургии. Способ позволяет вести процесс закрепления мембран одновременно для группы сборок, что обеспечивает необходимую производительность при его промышленном использовании.

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ МЕМБРАНЫ, при котором мембрану размещают в корпусе устройства и осуществляют ее соединение со стенкой корпуса, отличающийся тем, что мембрану изготавливают из гидридообразующего материала, а соединение мембраны со стенкой корпуса осуществляют путем ее гидрирования в среде газообразного водорода.